1、基础知识
等级划分：
- i& V% o) o. a6 D
6 b& l4 Y% v' K6 `" Q+ ?
2 `! M: ^; z" i% `! `0 l2 ~
接口类型：
- h/ `4 s" D5 y# E6 N1 x! f7 X: z

0 @* R7 D* W2 n; |' w
5 ]) K9 D1 p8 g& T  Q' b7 J$ iSTM32基础型(F1系列)所带的USB是全速。
0 k: m& e7 Z3 Y6 A3 h
2、电气属性
3 `* m- A' N3 PUSB的通信都是由主机发起的，这一点与IIC协议是类似的。
. k2 g4 [& S8 I& X9 k
2.1 数据线
- `2 ?) l% ]6 KUSB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：

2 w5 \  p( P# KUSB数据正信号线，USB Data Positive，即USB-DP线，简写为D+
: Q! ?( [5 T. |: H$ \: FUSB数据负信号线，USB Data Minus， 即USB-DM线，简写为D-
: j  L- ]8 y; g6 {5 w4 Q" o8 N
剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。

2.2 USB主机是如何识别设备是高速设备/全速设备/低速设备？
# O( b0 j6 g; u0 C主机的D+和D-都接有15K下拉电阻。

9 t, x+ o9 X& s; z0 q! @" R7 v% A全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高
1 s: ?! V* G) a5 A! _低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高
) a% H& H6 C# g+ V1 ^4 F7 ^
! ]7 _5 n7 N4 B3 B7 s
因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。

所以你可以看到STM32板子上的USB口D+有一个上拉电阻，而且是必须有的：

, r$ r$ B! p) V

3、USB设备分类
: f9 Q# a8 z9 j
$ S8 O- Z1 V: A, s: @+ S
! f4 S9 b' \+ K* S+ H/ o/ P
" D5 f  \1 r" \4 G3 ?+ a  s+ k) |$ z看一个CDC虚拟串口的设备分类：
1 U$ \  G! _* [8 W
2 Z4 m$ P9 t6 t' Z; T$ H9 F
6 M% j& F5 j+ f/ x( w: h
% B. n# C. s8 O, ]" ^# g在看一个MSC的（模拟U盘）：
7 g  y3 p, F1 _' G" M+ [% R6 Z9 R
6 L; e7 k' B* [( _1 `
+ J2 j3 c8 Q5 g6 \( B" `
3 |4 c' u6 U! Y( ]" B2 U& z" T6 I不同的类有不同的用途；不同的应用场合对应不同的产品形态；不同的产品形态可能会有自己特殊的描述符，比如： HID类有报告描述符、CDC类有ACM、Union描述符等。
0 u! l) E/ u) @' W
( c1 P3 p4 ?) F; K( {4、描述符详解
3 _) o' Z3 @: ]以STM32里的MSC设备为例，MSC类所需要的描述符有：设备描述符+配置描述符+接口描述符(数量由配置描述符里的bNumInterfaces字段决定)+端点描述符(数量由配置描述符里的bNumEndpoints决定)，所以MSC类结构就是这样的：
1 t9 m4 [& u; d* X
* p+ B  ]  q0 j4 `: U

1. 配置描述符
   
2. {
   
3.         接口描述符1
   
4.         {
   ! T, B. H$ H2 d3 _  C
5.                 端点描述符1
   
6.                 {
   ' s  l" ~/ S0 n9 S8 a+ K
7.                         
   
8.                 }
   1 v5 k0 S* K+ Q5 b0 S3 e& ~2 P
9.                 端点描述符2
   4 g5 W' h5 q. }
10.                 {
    
11.                         
    
12.                 }
    ) P) }" h' u. k8 j6 T6 R
13.         }
    ! y- p% p/ {  x
14. }

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而CDC类是这样的：
* x: Q  O/ J- @: i# K& ~

1. 配置描述符
   
2. {
   1 }* _: A( I/ m0 w8 t9 m2 A
3.         接口描述符1（通信接口）
   / E- ?" c3 U7 \. o
4.         {
   
5.                 其他描述符（特殊描述符）
   
6.                 {
   
7.                         /*Header Functional Descriptor*/
   
8.                         /*Call Management Functional Descriptor*/
   * U' U7 i/ u% a+ e
9.                         /*ACM Functional Descriptor*/
   
10.                         /*Union Functional Descriptor*/
    - X9 j; j- A7 o0 E: [5 d' B( ^
11.                 }
    : M; x' r( s4 g* r; o
12.                 端点描述符(命令端点)
    - G& n3 R+ {$ z! _! B
13.                 {
    
14.                         
    / A- t9 a: r" W/ ?' F1 I
15.                 }
    
16.         }
    / _  }4 V1 l7 E; Q$ v! m
17.         接口描述符2（数据接口）
    # F0 q& L1 S% O* w9 g; e. N
18.         {
    # w' `! M+ d! N# c- F4 L
19.                 端点描述符1（输出端口）
    ! y% q# m6 l% ]3 C0 n
20.                 {
    
21.                         
    
22.                 }
    
23.                 端点描述符2（输入端口）
    : Y5 y2 S. r) {6 |
24.                 {
    # T, ~# f" Z9 [2 l$ S$ i
25.                         
    
26.                 }
    " Q1 V- c+ V; @# F1 D/ |
27.         }
    * S8 B" J6 P8 A* N; p8 y
28. }
    6 F; J7 }7 ^7 o2 j

复制代码

4.1 设备描述符
( A2 ]$ p& I1 y' A1 U每个USB设备都必须且只有一个设备描述符，摘取一下STM32的MSC设备里的实例代码：



每个字段的含义：
bLength：描述符大小．固定为0x12；
bDescriptorType：设备描述符类型．固定为0x01；
bcdUSB：USB 规范发布号．表示了本设备能适用于那种协议，如2.0=0200，1.1=0110；
" J* {! ]& b. Z( X. ~+ O) k7 YbDeviceClass：类型代码（由USB指定）。当它的值是0时，表示所有接口在配置描述符里，并且所有接口是独立的。当它的值是1到FEH时，表示不同的接口关联的。当它的值是FFH时，它是厂商自己定义的；
bDeviceSubClass：子类型代码（由USB分配），如果 bDeviceClass值是0，一定要设置为0。其它情况就跟据USB-IF组织定义的编码；
' x6 a  W; B3 V/ mbDeviceProtocol：协议代码（由USB分配），如果使用USB-IF组织定义的协议，就需要设置这里的值，否则直接设置为0。如果厂商自己定义的可以设置为FFH；
- P" W5 x! \% \% P/ R' I$ V/ c: ebMaxPacketSize0：端点０最大分组大小（只有8,16,32,64有效）；
, `- `9 L: D1 l6 qidVendor：供应商ID（由USB分配）；
idProduct ： 产品ID（由厂商分配)，由供应商ID和产品ID，就可以让操作系统加载不同的驱动程序
bcdDevice ：设备出产编码．由厂家自行设置；
iManufacturer ：厂商描述符字符串索引．索引到对应的字符串描述符． 为０则表示没有；
iProduct ：产品描述符字符串索引．同上；
$ Y% v3 i; ^. }4 u+ H+ F, qiSerialNumber：设备序列号字符串索引．同上；
1 o- D( r5 E& f6 fbNumConfigurations ：可能的配置数．指配置字符串的个数。

7 o8 W  m$ ]$ m  W- l6 T" u: i4.2 配置描述符
配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符。摘一个STM32的MSC设备的配置描述符：
( [) ?; @* `4 F
1 D" ?8 E* O( |# }/ C' W
/ H: Z5 z7 u8 f$ e; Y: X
用C语言组合就是这样的一个结构：
: T6 w& M, f" D' q9 b- X9 {
% [4 @7 p( E" q2 }' Y$ V* R

1. typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_
   
2. {
   ) e4 m+ {( D8 S) P3 @8 Y
3.     BYTE      bLength,
   
4.     BYTE      bDescriptorType,
   ) y' I7 M% f7 d; r# |* P0 r
5.     uint16_t  wTotalLength,
   
6.     BYTE      bNumInterfaces,
   : T3 Q; E8 s' P- g$ H7 o. Y
7.     BYTE      bConfigurationValue,
   * s* E$ s' g* v( H
8.     BYTE      iConfiguration,
   
9.     BYTE      bmAttributes,
   
10.     BYTE      MaxPower
    
11. }USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;
    

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/ C8 u4 B5 [1 z( V* G1 M, Z每个字段含义如下：
  ~" n0 {' f$ p. q5 q5 z) F4 jbLength：描述符大小，固定为0x09．
. F0 s4 Y+ A9 Z* _8 f! vbDescriptorType：配置描述符类型，固定为0x02．
3 o5 ]' {5 {3 b7 l& l  z# ?wTotalLength：返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小
bNumInterfaces：配置所支持的接口数。指该配置配备的接口数量也表示该配置下接口描述符数量
' F, `' Q+ ?% \) q1 {bConfigurationValue：作为Set Configuration的一个参数选择配置值
iConfiguration：用于描述该配置字符串描述符的索引
bmAttributes：供电模式选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
, P" \" S% M. l5 [( NMaxPower：总线供电的USB设备的最大消耗电流．以2mA为单位

4.3 接口描述符
6 G2 q* x/ F5 x9 U: b4 S+ S接口描述符说明了接口所提供的配置，一个配置所拥有的接口数量通过配置描述符的bNumInterfaces决定，摘取STM32的MSC设备类的接口描述符：

6 j) g6 H" r/ c6 k# {0 c( J. D4 L

" ]  ?& D! T: K, a/ |/ V% E用C语言组合就是这样的一个结构：

: @% l  z$ H5 J. c! [5 s

1. typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_
   * w3 h9 s3 M  ~* S. I0 s% m) y
2. {
   7 l9 v$ x  J) K. K: \3 _! O
3.     BYTE      bLength,
   . e$ m) _. R2 u( M8 U; r% d1 k
4.     BYTE      bDescriptorType,
   5 h" x5 \. ?0 O+ _
5.     BYTE      bInterfaceNumber,
     H1 I! Z1 o' q" ~. Z
6.     BYTE      bAlternateSetting,
   
7.     BYTE      bNumEndpoint,
   8 E+ [1 c7 k0 o9 O3 J- J
8.     BYTE      bInterfaceClass,
   
9.     BYTE      bInterfaceSubClass,
   & ?  w# e& A. ~( T- X
10.     BYTE      bInterfaceProtocol,
    0 a. A9 k7 l+ |$ D$ [
11.     BYTE      iInterface
    8 U: T2 H" K. F* H3 f( _
12. }USB_INTERFACE_DESCRIPTOR;
    

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每个字段含义如下：
( |/ B5 Q2 v8 R' _& M
5 p8 E+ e4 u3 n; b8 P2 b9 KbLength : 描述符大小．固定为0x09．
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x04．
bInterfaceNumber: 该接口的编号．
# e5 {, |# R6 U; LbAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的位置．即备用的接口描述符标号．
bNumEndpoint : 使用的端点数目．端点０除外．
bInterfaceClass : 类型代码（由USB分配）．
bInterfaceSubClass : 子类型代码（由USB分配）．
bInterfaceProtocol : 协议代码（由USB分配）．
iInterface : 字符串描述符的索引

9 c+ @7 Q8 W' L+ ?4.4 端点描述符
& {) `- r2 v- x1 TUSB设备中的每个端点都有自己的端点描述符，由接口描述符中的bNumEndpoint决定其数量。摘取STM32的MSC设备类的端口描述符：



用C语言组合就是这样的一个结构：
  H4 J  P# c* m/ w: w6 o

1. typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_
   . r8 m0 ?' c" V! q
2. {
   ( {6 k0 t* f! \4 w" x
3.     BYTE        bLength,
   
4.     BYTE        bDescriptorType,
   
5.     BYTE        bEndpointAddress,
   
6.     BYTE        bmAttributes,
   0 ?! I! Q+ X0 J; y- T. h
7.     uint16_t    wMaxPacketSize,
   ! C$ M/ N. c- r/ ^2 b/ B8 x
8.     BYTE        bInterval
   - D0 f$ K6 V9 o; m8 @8 e+ s
9. }USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;
   

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; Q: I+ ~! |- R+ e3 M每个字段含义如下：

bLength : 描述符大小．固定为0x07
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x05
% [/ ^; E& ?$ F/ s% zbEndpointType : USB设备的端点地址．Bit7决定方向，1为IN端点，0为OUT端点，对于控制端点可以忽略；Bit6-4，保留；BIt3-0：端点号
8 x9 H7 _8 Z) Q2 S0 }; ]6 EbmAttributes : 端点属性．Bit7-2，保留．BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断
wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小
8 o7 \* D! {3 L6 JbInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为1-255
: A* ~1 e8 j0 h+ ~3 b3 P
( Y& K# `( O9 L( q. F- d+ |
4.5 字符串描述符
+ R2 y1 w+ [: ?0 Q% O. |; s8 _字符串描述符是可选的，如果不支持字符串描述符，其设备描述符、配置描述符、接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为0。
: s# p, W- h, P4 h+ q' r
字符串描述符结构如下：

8 Y7 l' Q  d; s+ `

1. typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTION_
   
2. {
   
3.     BYTE      bLength,
   ' A) ?6 z+ p. ~3 Q/ ~) a
4.     BYTE      bDescriptionType,
   1 w* b2 r! s5 Q1 D4 |
5.     BYTE      bString[1];
   
6. }USB_STRING_DESCRIPTION;

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各个字段含义：

% i7 a5 l3 i) z+ J6 g3 WbLength : 描述符大小．由整个字符串的长度加上bLength和bDescriptorType的长度决定．
  k* J/ H. U  z0 @: l6 obDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x03．
bString[1] : Unicode编码字符串

4.6 IAD描述符
8 O9 p7 N6 h8 R) `: b2 |0 _USB组合设备一般用Interface Association Descriptor（IAD）实现，就是在要合并的接口前加上IAD描述符。例如你想用一个硬件USB接口实现两个功能，又能到U盘又能当虚拟串口，那么在USB配置描述符中就需要加上IAD描述符来指明。

1. typedef struct _USBInterfaceAssociationDescriptor
   7 D& E7 w" j7 U1 E, W  k; L
2. {
   1 I2 M- b9 t. j  j5 U/ r
3.     BYTE  bLength:                  0x08        //描述符大小，固定
   + V4 f% V3 U6 T& A. Y
4.     BYTE  bDescriptorType:          0x0B        //IAD描述符类型，固定
   $ u" b+ C" C* k/ W) q. C& {5 T+ W0 Z
5.     BYTE  bFirstInterface:          0x00        //起始接口编号
   7 W8 I& y4 x4 z+ v4 A
6.     BYTE  bInterfaceCount:          0x02        //本个IAD下设备类的接口数量
   
7.     BYTE  bFunctionClass:           0x0E        //类型代码，本个IAD指示的是什么类型的设备，例如CDC是0X02，MSC是0X08
   0 N/ S% z, V& I* `5 s2 \9 o: ?) l
8.     BYTE  bFunctionSubClass:        0x03        //子类型代码
   
9.     BYTE  bFunctionProtocol:        0x00        //协议代码
   
10.     BYTE  iFunction:                0x04        //描述字符串索引
    + T! g+ _* v7 ?6 M
11. }

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2 W) ~( T" A8 g5 W4 d以MSC+CDC为例，他的配置描述符结构就是这样的：
% n" c' K% s2 w6 u* J
$ s% @5 L9 e( l9 M5 r3 i/ a* G

1. 配置描述符
   
2. {
   
3.         IAD描述符1（CDC）
   # w' C* q" ?0 c1 {( c" [
4.         {
   
5.                 接口描述符1（通信接口）
   
6.                 {
   # v3 b0 g, y6 m4 O9 y
7.                         其他描述符（特殊描述符）
   
8.                         {
   
9.                                 /*Header Functional Descriptor*/
   
10.                                 /*Call Management Functional Descriptor*/
    
11.                                 /*ACM Functional Descriptor*/
    % ^5 ?# v; A4 K5 o8 I9 y: a
12.                                 /*Union Functional Descriptor*/
    
13.                         }
    
14.                         端点描述符(命令端点)
    
15.                         {
    
16.                                 
    7 ~4 A1 `  ^  e6 q* l: j) c
17.                         }
    
18.                 }
    # \, d) Y9 Y) b% }# ~& L4 U6 Y
19.                 接口描述符2（数据接口）
    + X  o- T4 T- _2 i- c) x5 I
20.                 {
    " E7 k8 M0 ]1 ]
21.                         端点描述符1（输出端口）
    
22.                         {
    
23.                                 
    
24.                         }
    , i6 J: S' z9 f9 j& S0 z
25.                         端点描述符2（输入端口）
    
26.                         {
    : b0 r3 Y' _, n) ~: {6 Z
27.                                 
    ; ^, t; {# }) ]- Y0 h* H
28.                         }
    - `5 n, a, t' |2 S
29.                 }
    7 I2 E/ _- r# _/ \0 d
30.         }
    
31. 
    - f# Z0 ~; C+ _5 d( I" x
32.         IAD描述符(MSC)
      s$ {* ]0 g6 `: ^  _" Y( Q% [* {
33.         {
    
34.                 接口描述符1
    1 g* i# L: }0 g
35.                 {
    8 j  X  Y  J3 _& t  \
36.                         端点描述符1
    
37.                         {
    8 `& f  V% y7 y8 @" k
38.                                 
    " J6 c, K$ ?: ?+ h
39.                         }
    
40.                         端点描述符2
    
41.                         {
    ( L5 ~5 @) w# Z+ h& M! d
42.                                 
    ( i+ \0 }( r9 U
43.                         }
    - n2 n) |0 D$ ?& f$ Z7 K
44.                 }
    
45.         }
    
46. }

复制代码

5、STM32-USB详解
  `( E# i& ~4 w. S1 Q3 N/ r
/ t. S0 D8 E) W
; ~8 i& I# X' {& Z! v4 `% h. ~
# A  x  O. Q4 i4 g6 f( e. i- [这个512字节SRAM叫做Packet Buffer Memory Area(简称PMA)，这个很重要，后面会详细讲解。

' v- d$ s& o6 V2 h9 ?  @  w
  D* A1 g! [- w. v* y
根据描述可以，一共有8个端点，16个寄存器，一个端点关联两个寄存器，所以我们可以将他们规划为8个输入端点(0x80-0X87)+8个输出端点(0X00-0X07)。
% X+ D, i8 q" j" a9 ]! W7 o0 y3 H# m
6、STM32-PMA详解
先说一下USB的数据包大小，全速设备的最大包大小为64字节，高速最大为1024字节。

Packet Buffer Memory Area(简称PMA)
5 k2 x. p" ?. p/ G! Z' m
6 l/ [3 ~) O' i+ dSTM32F1/F3/L1系列都有且结构相同(其他系列暂未考证)，译过来就是包数据缓存区，大小为512字节，按2字节进行寻址。
: M: @4 X% ]. U' i- }# Y+ k- \
这个PMA的作用就是USB设备模块用来实现MCU与主机进行数据通信的一个专门的数据缓冲区，我们称之为USB硬件缓冲区。
( W8 ]* Q" Y, g% r+ {3 c& V
说得具体点就是USB模块把来自主机的数据接收进来后先放到PMA，然后再被拷贝到用户数据缓存区；或者MCU要发送到主机的数据，先从用户数据缓存区拷贝进PMA，再通过USB模块负责发送给主机。

很多人利用ST官方的USB库修改自己的USB应用时候卡住，获取改完之后懵懵懂懂出现错误，估计大多数原因就在此处的修改！

/ a- X5 J% }  R' C摘取一下STM32F1参考手册里的PMA描述表：



名称含义：

ADDR0_TX：输出端点0发送缓冲区地址
COUNT0_TX：输出端点0发送缓冲区大小
0 h4 y7 N3 \- g9 t4 B3 vADDR0_RX：输入端点0发送缓冲区地址
. ~# |/ p. o$ U. s# XCOUNT0_RX：输入端点0发送缓冲区大小

可以看到一个完整的端点描述包括：缓冲区地址+缓冲区大小。
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PMA的头部为端点的描述，每个端点占8个字节，实际使用了几个端点就有几个描述头，例如使用了0、1、2这三个连续端点（这里注意是连续端点），那么PMA头部的3x8=24(十六进制的0X18)字节就是描述，倘若你使用的是0、1、3这三个端点，其中编号为2的端点虽然没使用但是占用空间，那么PMA头部的端点描述就是4x8=32字节，编号为2的端点8字节的空间就浪费了(严格来说没浪费，就是不方便使用)。

+ [/ f! J; Z0 Y4 P% V* j头部的端点描述之后就是各个端点的缓冲区了，例如使用了0、1、2三个端点，占用了PMA头部3x8=24字节的空间，那么这三个端点的缓冲区地址就是从PMA偏移24字节开始的，当然只要是大于24就都可以，这里就是最关键的地方了，很多人修改ST官方库实现自己USB应用时候就是没改这里的地址，导致缓冲区的使用覆盖了PMA头部的端点描述从而出错！
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0 w9 d: H& l- x& s, m下面摘取一个STM32官方MSC设备的实例进行分析：



可以看到一共用到了4个端点，分别是输入端点0X80和0X81，输出端点0X00和0X01，其中0X00端点和0X80端点是供USB使用必须有的，0X81和0X01端点则是MSC设备输入输出端点。

那么一共使用了4个端点，按理来说PMA头部的端点描述大小应该是4X8=32(十六进制的0X20)字节，0X20之后的才是各个端点缓冲区，但是ST这里的却是从0X18开始，也就是说使用了三个端点，这个地方我还没有搞明白为什么，欢迎各位补充！

至于为什么0X18之后是0X58，是因为USB全速设备的最大包是64字节(十进制的0X40)，所以这里PMA的划分就是：

; r2 z. q  v4 {' ?% k' W/ ?头部0X18字节为各个端点的描述
! c* j1 [* @' |6 z9 e0X18地址开始的64字节为输出端点0的缓冲区
0X58地址开始的64字节为输入端点0的缓冲区
8 {9 \- Z" A5 B( k7 E" d0X98地址开始的64字节为输出端点1的缓冲区
0XD8地址开始的64字节为输入端点1的缓冲区
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这里注意一点，缓冲区分配好之后访问是不会溢出的，也就是说缓冲区之间完全隔离。
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